Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий (стр. 2 )

Термоформы, имеющие паровые рубашки, укладываются по 6-7 шт. образуя пакет высотой 1,5-2 м. При тепловой обработке изделий в пакетах подвод тепла двусторонний. При соприкосновении изделий с лицевой по­верхностью поддона идет кондуктивный подвод тепла, со стороны откры­той поверхности бетона - конвективный. Так как среда в пакете прогревает­ся быстрее, чем бетон изделия, создастся избыточное давление среды, кото­рая вызывает всестороннее обжатие бетона и предотвращает развитие деструктивных процессов в период повышения температуры.

При тепловой обработке изделий в пакетах повышается прочность бетона на 20-25% по сравнению с тепловой обработкой при атмосферном давлении и улучшаются другие свойства.

Тепловая обработка в автоклавах. Тепловую обработку в автоклавах применяют для производства бе­тонных изделий на основе известково-кремнеземистых вяжущих, цементно-песчаных, смешанных вяжущих с использованием отходов промышленности (золы и шлаки ТЭС, доменные шлаки, горелые породы и т. д.), так­же изделий из ячеистых бетонов.

Особенность твердения в автоклавах заключается в том, что при дав­лении насыщенного пара равном 0,9-1,3 МПа вода сохраняется в жидкой фазе при температуре 175-190 °С, благодаря чему создаются благоприятные условия процесса твердения бетона.

Автоклав представляет собой цилиндрический горизонтальный свар­ной сосуд с открывающимися съемными крышками. Автоклавы имеют диа­метры 2,6 и 3,6 м и длину 20-30 м. Запаривание в автоклаве состоит из пя­ти этапов.

Первый этан от начала впуска пара до установления в автоклаве тем­пературы 100°С. Второй этап начинается с подъема давления. Третий этап - выдержка при постоянном давлении и температуре. Четвертый этап - рав­номерное снижение давления. Пятый этап - охлаждение изделий от темпе­ратуры 100 °С до нормальной. Продолжительность первого и второго этапов 3-5 ч, третьего - 4-6 ч, четвертого и пятого - 2-4 ч. Цикл автоклавной обра­ботки с учетом времени на загрузку и выгрузку изделий составляет 12-15 ч.

Внешний вид автоклава представлен на рис. 8.7.

Рис. 8.7 – Устройство горизонтального тупикового (а) и проходного (б) автоклава: 1 - корпус автоклава; 2 - крышка; 3 - гидропривод открывания и закрывания крышки; 4 - гидропривод поворота байонетного кольца; 5 - байонетное кольцо

При тепловлажностной обработке крупноразмерных изделий по­дъем температуры в автоклаве увеличивают для снижения различия темпе­ратурных деформаций металлической формы и бетонного изделия в период нагрева.

Резкие перепады или снижение давления пара в автоклаве вызывают в изделиях необратимые деформации. В большей степени этому подвержены изделия, изготовленные из смесей, характеризующиеся низкой жесткос­тью и большим содержанием вяжущего. Колебания давления не должны превышать 0,02 МПа.

Выгружаемые из автоклава силикатобетонные изделия не должны подвергаться резкому охлаждению. Остывание изделий должно происхо­дить в неразобранных штабелях на вагонетках, при естественном или при­нудительном охлаждении.

Продолжительность принудительного охлаждения изделий должна быть от 6 до 8 час, а естественного остывания крупноразмерных изделий в штабелях форм до распалубки не менее 20 час.

Для предупреждения образования в изделиях температурных усадоч­ных трещин разборку штабелей форм и снятие с верхнего изделия щита производят при разности температур поверхности изделий и цеха не более 40 °С.

Электропрогрев. Под электротермообработкой понимают комплекс способов ухода за уложенным бетоном в процессе выдерживания отформованных изделий, при которых заданный температурный режим твердения обеспечивается в результате преобразования электрической энергии в тепловую, непосредст­венно в самом бетоне или в специальных установках, а также предваритель­ным электроразогревом бетонной смеси в бункере с последующей укладкой в форму (горячее формование).

Принципиальной разницы между электропрогревом и паропрогревом в отношении теплового воздействия и ускорения твердения бетона нет, характер же тепло - и влагообмена с окружающей средой, направление теп­ловых потоков и миграции влаги различны. При электропрогреве изделия прогреваются изнутри.

При электропрогреве изделий в открытых формах необходимо применять пароизоляцию открытых поверхностей изделий, а зимой на полиго­нах утеплять формы при прогреве на открытом воздухе.

Преобразование электрической энергии в тепловую непосредственно в массе бетона, называемого электродным прогревом, основано на способности твердеющего бетона проводить электрический ток с выделением теплоты в соответствии с законом Джоуля-Ленца:

Q = I·U·ф = I2·R·ф = U2·ф/R

где Q - количество теплоты, выделяющейся в бетоне при пропуска­нии электрического тока; I - сила тока, проходящего через бетон; R - сопро­тивление токопроводящего слоя бетона; U - электрическое напряжение, по­даваемое на электроды; ф - продолжительность прохождения электричес­кого тока.

Способность твердеющего бетона проводить электрический ток ха­рактеризуется показателем удельной электрической проводимости или об­ратной его величиной - удельным электрическим сопротивлением, которое меняется по мере твердения бетона.

В связи с этим напряжение и силу тока в процессе электропрогрева изменяют потому, что омическое сопротивление твердеющего бетона по мере прогрева непрерывно меняется. Оно сначала понижается при увеличении содержания водорастворимых солей и повышении температуры бетона, но затем, с уменьшением содержания в нем воды, быстро и значительно возрастает.

Для электропрогрева применяют пластинчатые, полосовые, стержневые и струнные электроды, которые располагаются внутри изделий или на их поверхности (рис. 8.8). Наиболее предпочтительны пластинчатые электроды, располагаемые на противоположных плоскостях конструкции и под­ключаемые к разным фазам. Для экономии металла вместо пластинчатых электродов применяют полосовые. Для изделий сложной конфигурации ис­пользуют стержневые электроды. Струнные электроды используют для прогрева длинномерных конструкций и изделий (колонны, балки, прогоны, сваи и т. п.).

Рис. 8.8 – Основные схемы электропрогрева уложенного в форму бетона: а - сквоз­ной прогрев пластинчатыми электродами; б - сквозной прогрев с использованием арматурных сеток в качестве электродов; в - сквозной прогрев полосовыми электро­дами; г - односторонний периферийный прогрев полосовыми электродами (перифери́я – окраинная, внешняя часть чего-либо, противопоставленная центру); д - двусторонний периферийный прогрев полосовыми электродами; е - прогрев одиночными стержневыми электродами; ж - прогрев струнным электродом изделий, армиро­ванных 4 стержнями по углам сечения; з - прогрев струнным электродом изделий, армированных часто расположенными арматурными стержнями по периферии сече­ния или формуемых в металлических формах.

По сравнению с другими методами электротермообработки электродный прогрев является самым экономичным по расходу электроэнергии, который составляет 60-80 кВт на м3.

При электропрогреве изделий в открытых формах и бетонов с повы­шенными В/Ц следует применять «мягкие» режимы со скоростью разогре­ва и остывания бетона по отключении тока не более чем на 20 °С в 1 ч, а круп­нопористого бетона — 60-70 °С и изотермическим прогревом при температуре 60-70 °С.

Электропрогрев бетонов на быстротвердеющих и высокопрочных це­ментах особенно целесообразен, так как он позволяет при коротких сроках прогрева к его концу получать бетоны требуемой прочности с учетом даль­нейшего ее нарастания в процессе остывания бетона сначала в формах, а по­сле распалубки в цехе.

Прогрев предварительно напряженных элементов следует произво­дить ступенями с кратковременной выдержкой после достижения бетоном 40-50 °С. Во всех случаях электропрогрев желательно начинать после 2-3 ч предварительной выдержки сформованных изделий.

Рекомендации по скорости подъема температуры и продолжительно­сти изотермического прогрева с учетом вида изделий, типа электродов и ви­да вяжущего представлены в табл. 8.5., 8.6.

Таблица 8.5 – Скорость подъема температуры при электропрогреве

Характеристика изделия	Тип электродов	Скорость подъема температуры в 1 ч/град
Изделия сплошной конфигурации (ребристые плиты, лестничные марши, сантехнические блоки и т. д.)	Полосовые и стержневые электроды	5-10
Армированные блоки прямоугольного сечения, блоки фундаментов, колонны и балки прямоугольного сечения	Пластинчатые и полосо­вые электроды, плоские группы стержневых элек­тродов	15
Неармированные блоки прямо­угольного сечения	Пластинчатые борта-электроды или перегородки-электроды в кассетных формах	30

Электродный метод прогрева бетона применяется также в кассетном производстве. Электродами служат разделительные стенки кассетных отсе­ков, которые в этом случае электроизолируются текстолитовыми прокладками. Продолжительность прогрева не превышает 4-6 ч, расход электроэнер­гии составляет 50-80 кВт·ч на м3 бетона, что равноценно паропрогреву при расходе пара 200 кг на м3. При использовании электропрогрева производи­тельность кассетных установок может быть повышена увеличением полез­ной формовочной емкости (при удалении паровых отсеков).

Таблица 8.6 – Продолжительность изотермического прогрева

Вид цемагта	Температура, 0С, при модуле поверхности изделия
до 10	10-15	15-20
Шлакопортландцемент марки 300-500	80	65	50
Пуццолановый цемент марки 300-400	80	60	45
Портландцемент марки 300-400	70	50	40
то же 500-600	60	40	35

Электротермообработка отформованных бетонных и железобетон­ных изделий с преобразованием электрической энергии в тепловую с помо­щью специальных нагревательных устройств основана на том, что выделя­емая в последних теплота передается твердеющему бетону путем контакт­ной, конвективной, контактно-конвективной или лучистой теплопередачи и распространяется в толщине бетона изделий за счет теплопроводности. Та­кая схема прогрева позволяет подвергать электротермообработке по рацио­нальным режимам любые изделия независимо от их размеров и конфигура­ции наличия и сложности армирования, то есть область применения рассма­триваемого способа электротермообработки не имеет практически ограни­чений. Но удельный расход электроэнергии в этом случае (по сравнению с электродным прогревом) несколько выше и может достигать 80-100 и бо­лее кВт·ч на м3 бетона из-за неизбежного рассеивания части тепловой энер­гии в окружающую среду и затрат на нагрев элементов тепловых агрегатов.

В зависимости от вида нагревательных устройств и типа теплового агрегата различают:

— электротермальная обработка в ямных камерах, оснащенных ли­нейными (стержневыми, трубчато-стержневыми, коаксиальными) электронагревательными элементами;

— электротермальная обработка в щелевых и туннельных камерах, оснащенных линейными (стержневыми, трубчато-стержневыми, коаксиаль­ными) электронагревательными элементами;

— электротермальная обработка в щелевых камерах, оснащенных инфракрасными излучателями;

— электрогидротермальная обработка в ямных камерах с гидротермобассейном;

— тепловая обработка в ямных камерах электрогидроаэроциркуляционного действия;

— тепловая обработка в туннельных или щелевых камерах индукционного нагрева;

— тепловая обработка в металлических электроформах и кассетных установках с электротепловыми щитами, оборудованными линейными (проволочными, стержневыми, трубчато-стержневыми и уголково-стержневыми) или плоскими (из отдельных полос гибких металлических сеток и угольно-графитовой ткани) электронагревательными элементами;

— тепловая обработка на стационарных постах-стендах, оснащенных инфракрасными излучателями.

При электротермальной обработке в камерах, оснащенных линейны­ми электронагревательными элементами, прогрев загруженных в камеру от­формованных бетонных и железобетонных изделий происходит в результа­те конвективной теплопередачи от нагревательных элементов, смонтиро­ванных в ямных камерах - на боковых стенках и днище, в щелевых камерах - на днище и потолке, а в туннельных камерах - на днище, потолке и боко­вых стенках. Поскольку в этом случае воздушная среда в камере имеет низ­кую влажность (10-40%), то такую тепловую обработку наиболее целесо­образно применять при изготовлении изделий из теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона класса до В7,5, к кото­рым помимо прочности предъявляются определенные требования по конеч­ной влажности (не более 12%). При изготовлении же изделий из обычною тяжелого бетона или конструкционного легкого бетона применение для электротермальной обработки камер, оснащенных линейными электронагрева­тельными элементами, допустимо только при надежной защите открытых (неопалубленных) поверхностей изделий пленочными покрытиями или пленкообразующими составами, предохраняющими бетон от излишних влагопотерь.

Свежеотформованные керамзитобетонные изделия имеют большую начальную влажность (25-30% по массе), поэтому весьма желательно, что­бы излишняя влага испарилась. Наиболее эффективно эта задача решается при электропрогреве изделий в щелевых камерах, располагаемых обычно под линией формования. В камерах создается режим тепловой обработки с температурой воздушной среды 100-150°С и малой относительной влажно­стью 5-10% посредством трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов), которые являются источником инфракрасного излучения. Для образования направленного потока лучей ТЭНы оборудованы отражателями.

При тепловой обработке изделий инфракрасными лучами прочность бетона в значительной мере зависит от условий облучения (режима прогрева, расположения излучателей и др.). Чтобы предотвратить пересушивание открытой поверхности бетона, изделия покрывают металлическими листа­ми, полиамидной пленкой или слоем влажного песка.

Камера представляет собой туннель длиной 90 м и высотой в свету 1 м с зазором 50-100 мм от верха изделия до потолка камеры. На полу ка­меры между рельсами расположены ТЭНы общей мощностью 1200 кВт, присоединенные к электросети напряжением 380 В. Для регулирования температуры все ТЭНы камеры разделены на 12 блоков, управление ими выведено на общий шит с приборами, регистрирующими температуру в ше­сти точках по длине камеры.

Одним из способов тепловой обработки является предварительный разогрев бетонной смеси перед укладкой ее в формы. Он применяется на домостроительных комбинатах при формовании изделий в кассетных формах (способ горячего формования) и в других случаях. Электроразогрев бетон­ной смеси осуществляется в специальных бункерах (электроподогревателях) емкостью 1,8-2 м3 оборудованных пластинчатыми электродами-пере­городками, подключенными к электросети напряжением 380 В.

Длительность электроразогрева бетонной смеси до температуры 80-90°С составляет 5-10 мин, затем смесь укладывают в формы и уплот­няют. Бетон в формах может твердеть без дополнительного прогрева. Если после укладки температура бетона не станет ниже 75°С, то при условии хо­рошей термоизоляции форм она благодаря экзотермии цемента будет под­держиваться в течение 2-3 ч на уровне температуры разогрева смеси.

Бетон достигает 50-70% марочной прочности через 5-8 ч выдер­живания. Скорость твердения зависит от вида цемента и величины его алюминатной составляющей. Рекомендуется применять среднеалюминатные (до 8% С3А) и высокоалитовые цементы. При этом в смеси отсутствуют де­структивные явления, так как она разогревается в начале процесса схваты­вания, а разрыхление разогреваемой смеси ликвидируется ее последующим виброуплотнением при укладке. Кроме того, прочность бетона нарастает от центра изделия, где температура выше, к периферии и при условии возмож­но медленного остывания изделия в бетоне не возникают растягивающие напряжения и не появляются трещины в его наружных слоях. В результате структура бетона получается более плотной и однородной.

При разогреве бетонная смесь быстро теряет подвижность. Для со­хранения минимально необходимой подвижности бетонной смеси прибега­ют к увеличению водосодержания в смеси на 10-12%, вводят добавки типа ЛСТ, огра­ничивают продолжительность прогрева смеси. Необходимо также предель­но сокращать время укладки бетонной смеси в формы.

Горячее формование применяется в производстве однослойных пане­лей, крупноразмерных конструкций промышленных зданий и т. п. Особенно эффективно применение горячего формования при изготовлении легкобе­тонных изделий в связи с низкой теплопроводностью легкого бетона. Ос­новными условиями осуществления, горячего формования являются: обес­печение минимальных потерь температуры и влаги во время укладки смеси в формы; тепловая защита изделий после формования: пассивная (теплоизоляция) и активная (дополнительный кратковременный прогрев).

При горячем формовании изделий в кассетных формах целесообраз­но перед укладкой смеси подогревать их до 40-50 °С либо через 1,5-2 ч по­сле укладки производить кратковременный прогрев смеси непосредственно в кассетной форме, хотя при этом общий расход электроэнергии несколько повышается по сравнению с одностадийным прогревом в формах.

Эффективность применения горячего формования изделий для круп­нопанельного домостроения обусловливается снижением затрат на тепло­вую обработку и интенсификацией производства благодаря повышению оборачиваемости формовочного оборудования.

Гелиотермообработка. При изготовлении бетонных и железобетонных изделий на открытых полигонах расположенных южнее 50° северной широты и особенно в райо­нах с сухим жарким климатом весьма эффективным является использование солнечной энергии для тепловой обработки отформованных изделий.

Для этого используются специальные гелиоформы (рис. 8.9). В гелиоформах применены солнцевоспринимающие теплоаккумулирующие покрытия (СВИТАП).

Рис. 8.9 – Тепловая обработка кольцевых элементов в гелиоформах: 1 - пост формования изделий; 2 - резиновое уплотнение; 3 - светопрозрачный материал; 4 - каркас наружного цилиндра; 5 - строповочные приспособления; 6 - бетонная труба ø1000 и Н=2000мм; 7 - каркас внутреннего цилиндра; 8 - спаренные кольца из труб; 9 - светопрозрачный материал перекрытия.

Восполнение дефицита солнечной энергии в осенне-весенний период осуществляется путем регулируемого поступления дополнительного тепла от дублирующих источников энергии (рис. 8.10).

Сочетание покрытий СВИТАП с нагревательными элементами (низкокотемпературными электронагревателями), обеспечивает экономии тепловой энергии в осенне-весенний период на 25-40 %, а в летнее время до 100%.

Покрытие СВИТАП позволяет использовать поток солнечной радиа­ции естественной концентрации для повышения температуры бетона, спо­собствует аккумулированию тепла изделиями и защищает от теплопотерь в ночное время.

Рис. 8.10 – Фрагмент линии для комбинированной гелиотермообработки железобе­тонных изделий: 1 - железобетонной изделие; 2 - борта формы с теплоизоляцией; 3 - покрытие СПИТАП;

4 - поддон формы; 5 - электронагреватель, 6 - отражатель; 7 – рельс.

Продолжительность безобогревного выдерживания отформованных бетонных и железобетонных изделий зависит от средней (за время выдержи­вания) температуры твердеющего бетона, требуемой распалубочной и отпу­скной прочности, вида и состава бетона, активности применяемого цемента и ряда других факторов и определяется по графикам нарастания прочности, установленным экспериментально для каждою конкретною случая.

Лекция № 9 – ТЕХНОЛОГИЯ СЛОИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АСБЕСТОЦЕМЕНТА, МЕТАЛЛИЧЕСКИХ,

ПОЛИМЕРНЫХ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ

В строительстве широко применяются многослойные конструкции, которые при рациональном сочетании материалов с различными свойства­ми становятся способными сопротивляться многообразным внешним воз­действиям и позволяют сократить расходы в период эксплуатации.

Многослойные изделия применяются в основном в виде ограждающих конструкций, декоративно-отделочных материалов и в качестве плит для дорог и покрытий полов.

В соответствии с современной концепцией ресурсосбережения при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений совершенствование ог­раждающих конструкций идет в направлении повышения уровня теплоза­щиты, долговечности и технологичности изготовления.

Проблема повышения теплоизолирующей способности ограждаю­щих конструкций стоит наиболее остро. В определенной мере ее можно решить за счет применения многослойных ограждающих конструкций, имею­щих слои из эффективных теплоизоляционных материалов. В качестве теп­лоизоляционного слоя нашли применение минераловатные плиты, в том числе на основе базальтовых пород, ячеистые бетоны, жесткие пенопласты.

Применение полимеров в строительных конструкциях позволяет последовательно проводить дальнейшую индустриализацию строи­тельного производства, превращая его в единый процесс возведения объектов из элементов заводского изготовления.

Эффективное сочетание полимеров с древесиной, бетоном, ме­таллами, минеральными волокнами составляет принципиальную основу создания новых индустриальных конструкций.

Опыт применения полимерных конструкций в зданиях невелик. Один из первых домов был построен в США в 20-х годах и пред­ставлял собой в конструктивном плане одну опору, на которой кре­пились панели из поливинилхлорида. Все детали дома весили около 2т. В 1933 г. на Чикагской выставке демонстрировался дом из слои­стых панелей. Также в США в 50-х годах был построен «Дом буду­щего» и «Дом улитка», выполненные из стеклопластика в качестве несущих и ограждающих конструкций.

В нашей стране также велось экспериментальное строительство с применением пластмасс. В 1959 г. в Москве был построен панель­ный пятиэтажный дом, который простоял около 25 лет. Панели дома состояли послойно из стеклопластика - пенополистирола - гипсовой сухой штукатурки.

Особую роль играют полимерные строительные конструкции на предприятиях, использующих кислоты, щелочи и другие агрессивные компоненты в производственном процессе. Конструкции с примене­нием полимеров в этом случае играют роль первичной химической защиты и по химической стойкости в десятки раз превосходят конст­рукции из традиционных материалов. Вместе с тем применение полимерного материала дает возможность возводить сооружения на принципиально новой основе, как, например, при применении пневмокаркасных или трехслойных конструкций.